任席偉，傅耀方

基于ax型熱氣球的海上自主救援裝置

任席偉，傅耀方

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063）

基于ax型熱氣球的海上快速自主救援裝置，將熱氣球、救生筏以及風(fēng)翼技術(shù)進(jìn)行結(jié)合改進(jìn)，完成了海上遇難人員通過(guò)空中逃生路線進(jìn)行自主救援。熱氣球?yàn)檠b置提供升力，救生筏能夠保障人員的生存問(wèn)題，風(fēng)翼能夠?yàn)檠b置提供前進(jìn)方向的推進(jìn)力和垂直前進(jìn)方向的橫向力，從而使人員快速離開(kāi)逃生現(xiàn)場(chǎng)或者躲避障礙物。此外，還對(duì)風(fēng)翼受風(fēng)時(shí)的受力情況進(jìn)行了分析，為裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

救生筏；熱氣球；風(fēng)翼；救援

海上航行人員的安全逃生問(wèn)題一直以來(lái)被人們熱切關(guān)注，現(xiàn)有的主要救生設(shè)備有救助艇、救生艇、救生筏和救生浮具等。這些救生設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)水面進(jìn)行逃生，但是當(dāng)水面發(fā)生重大油火類(lèi)災(zāi)害或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致有毒氣體生成時(shí)，水面路線逃生方式會(huì)對(duì)人員的生命安全造成極大威脅，因此，僅通過(guò)水面逃生在某些情況下無(wú)法滿(mǎn)足人們的逃生需求，并且隨著現(xiàn)代救援力量的增強(qiáng)，只要保證黃金救援期內(nèi)在海上存活，遇難人員便有很高的獲救概率。因此，需要現(xiàn)代的救生裝置具備能快速逃生、保障短時(shí)間內(nèi)的生存且易于被快速發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)。

救生筏作為沉船或營(yíng)救時(shí)的重要工具[1]，能保障人員在一定時(shí)間內(nèi)的人身安全。氣球經(jīng)過(guò)發(fā)展，在空中交通、空中偵察和氣象探測(cè)等各個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用[2]。其中ax型熱氣球?yàn)橥ㄟ^(guò)加熱球囊內(nèi)氣體提供動(dòng)力的氣球。本文提出將救生筏與與ax型熱氣球進(jìn)行結(jié)合，將熱氣球的載人部分替換為救生筏。但是，熱氣球自身基本沒(méi)有輔助動(dòng)力系統(tǒng)，飛行員一般僅通過(guò)大氣中不同高度的氣流來(lái)控制熱氣球的速度與方向，因此對(duì)熱氣球的操控存在一定缺陷。祝遠(yuǎn)程[3]提出設(shè)置拉繩和魔術(shù)貼來(lái)控制熱氣球的旋轉(zhuǎn)和橫移，這些改進(jìn)雖然在一定程度上改善了熱氣球的操控性能，但會(huì)使熱氣球所能提供的浮力下降，埋下一定的安全隱患。從夏焌峰[4]的研究中可知，類(lèi)似于風(fēng)翼結(jié)構(gòu)的翼帆在風(fēng)的作用下，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生升力和阻力。因此，可將救生筏、熱氣球與風(fēng)翼進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種基于ax型熱氣球的海上自主救援裝置，滿(mǎn)足人們對(duì)逃生裝置操縱性和安全性的需求。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)翼處結(jié)構(gòu)如圖2所示，吊籃框架如圖3所示。

海上自主救援裝置包括熱氣球和可設(shè)置在所述熱氣球的吊籃框架內(nèi)的救生筏。救生筏可以是正八邊形氣脹式救生筏。吊籃框架可為正八邊形吊籃，并可由藤條編織而成。所述熱氣球的燃燒器設(shè)置在托盤(pán)上，托盤(pán)的支架可通過(guò)螺栓等緊固件可拆卸地固定在吊籃框架上。

1—吊籃框架；2—滑輪；3—救生筏；4—下圓環(huán)；5—卡死裝置；6—風(fēng)翼控制器；7—控制閥門(mén)；8—燃燒器托盤(pán)；9—繩索；10—燃燒器；11—熱氣球氣囊；12—風(fēng)翼框架；13—繩索固定系扣；14—帆布；15—上圓環(huán)；16—球囊加固帶。

所述熱氣球包括風(fēng)翼、控制裝置和加固帶。

對(duì)于不同形狀風(fēng)帆的研究表明，圓弧形風(fēng)帆的空氣動(dòng)力性能比較優(yōu)良，制造和操縱比較簡(jiǎn)便易行，比較適用于現(xiàn)代船舶[5]，因此將風(fēng)翼的形狀選為圓弧形。加固帶固定在所述熱氣球的球囊上，由比球囊厚的布料制成。加固帶可設(shè)置在球囊的赤道位置。所述風(fēng)翼的帆布設(shè)置在硬質(zhì)框架內(nèi)，框架大致為H狀?？蚣芡ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在加固帶上，能繞轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)。控制裝置通過(guò)繩索與風(fēng)翼連接以控制風(fēng)翼在水平面轉(zhuǎn)動(dòng)。在一種可能的實(shí)施方式中，兩個(gè)所述風(fēng)翼關(guān)于環(huán)形加固帶的圓心中心對(duì)稱(chēng)，每個(gè)所述風(fēng)翼連接有一個(gè)所述控制裝置。

9—繩索；11—熱氣球氣囊；12—風(fēng)翼框架；13—繩索固定系扣；14—帆布；15—上圓環(huán)；16—球囊加固帶；17—轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

所述控制裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，其通過(guò)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在吊籃框架的上沿。

所述轉(zhuǎn)向軸的上端和下端具有卷繞繩索的環(huán)形凹槽。繩索的中部固定在風(fēng)翼框架的系扣上，繩索的兩端經(jīng)繩索導(dǎo)引裝置分別卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸的上端和下端的環(huán)形凹槽內(nèi)。其中繩索的兩端應(yīng)同方向卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸上。此外，繩索上設(shè)有刻度，通過(guò)刻度來(lái)反映所述風(fēng)翼的角度。

1—吊籃框架；2—滑輪；3—救生筏；4—下圓環(huán)；5—卡死裝置；6—風(fēng)翼控制器；7—控制閥門(mén)；8—燃燒器托盤(pán)；9—繩索；10—燃燒器。

所述繩索導(dǎo)引裝置包括安裝在所述風(fēng)翼兩側(cè)的加固帶上的上安裝環(huán)，安裝在吊籃框架上端并在所述轉(zhuǎn)向軸兩側(cè)的下安裝環(huán)，以及位于下安裝環(huán)下方的滑輪。繩索的一端經(jīng)所述風(fēng)翼右側(cè)的上安裝環(huán)、右側(cè)的滑輪、所述轉(zhuǎn)向軸右側(cè)的下安裝環(huán)后卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸上端的環(huán)形凹槽內(nèi)。繩索的另一端經(jīng)所述風(fēng)翼左側(cè)的上安裝環(huán)、左側(cè)的滑輪、所述轉(zhuǎn)向軸左側(cè)的下安裝環(huán)后卷繞在所述轉(zhuǎn)向軸下端的環(huán)形凹槽內(nèi)。

所述控制裝置包括鎖緊裝置，其為伸縮式結(jié)構(gòu)。鎖緊裝置滑動(dòng)設(shè)置在吊籃框架的上沿，并靠近轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的所述轉(zhuǎn)向軸上。鎖緊裝置處于收縮位置時(shí)，可移動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)正下方；鎖緊裝置處于伸出狀態(tài)時(shí)可從轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的開(kāi)口伸出，防止轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 裝置操縱方案

該裝置用于海難事故時(shí)的人員逃生，平時(shí)救生筏和熱氣球折疊之后存儲(chǔ)。

2.1 裝置離開(kāi)船舶升向空中之前

使用時(shí)，將救生筏取出放置于吊籃內(nèi)部，將其靜水壓力釋放器打開(kāi)，使氣脹式救生筏充脹成型。

裝置放置如圖4所示。

圖4 裝置放置示意圖

整個(gè)裝置位于船舶生活區(qū)的延長(zhǎng)甲板上。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接好風(fēng)翼與熱氣球并系好裝置上的相關(guān)繩索后，再使用固定繩索一端系固于熱氣球上的上圓環(huán)，另一端系固在船舶上。之后用船用鼓風(fēng)機(jī)對(duì)熱氣球快速充入熱氣，當(dāng)氣球充脹成型之后使用燃燒器繼續(xù)對(duì)熱氣球進(jìn)行加熱。當(dāng)加熱到所產(chǎn)生的的浮力足以使裝置和所載人員浮起后，將用于固定裝置的繩索解開(kāi)，隨后該裝置離開(kāi)遇險(xiǎn)船舶。

2.2 裝置離開(kāi)船舶升向空中之后

裝置上的風(fēng)翼可以繞位于熱氣球加固帶上的旋轉(zhuǎn)軸在半圓的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，操作人員可通過(guò)風(fēng)翼控制器來(lái)改變風(fēng)翼的角度從而在一定程度上改變裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

裝置的運(yùn)動(dòng)控制如圖5所示，圖5中白色箭頭為風(fēng)向，也是未使用風(fēng)翼時(shí)裝置的運(yùn)動(dòng)方向，黑色實(shí)體箭頭為裝置的擬運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)裝置需要順風(fēng)的推力來(lái)加速離開(kāi)事故現(xiàn)場(chǎng)并且不需要垂直于風(fēng)向的作用力時(shí)，將風(fēng)翼展開(kāi)至與風(fēng)向垂直，如圖5中（a）；當(dāng)裝置不需要額外的推力時(shí)，將風(fēng)翼緊貼熱氣球，如圖5（b）；如果裝置需要垂直于風(fēng)向的作用力時(shí)，將風(fēng)翼調(diào)整至一定夾角，如圖5（c）和圖5（d）；如果需要快速實(shí)現(xiàn)裝置轉(zhuǎn)向操作時(shí)，可將一端風(fēng)翼緊貼熱氣球，另一端風(fēng)翼調(diào)整至與風(fēng)向垂直，如圖5（e）和圖5（f）。通過(guò)繩索結(jié)構(gòu)來(lái)控制風(fēng)翼的旋轉(zhuǎn)角度。

當(dāng)裝置載著人員到達(dá)安全水域后，通過(guò)控制燃燒器的控制閥門(mén)使裝置產(chǎn)生的浮力減小。最終裝置在重力的作用下降落到水面上。

2.3 裝置降落到水面之后

當(dāng)裝置降落到水面后，將燃燒器下方支架與吊籃框架的連接處解開(kāi)，使救生筏從吊籃框架中脫離出來(lái)，便于人員后續(xù)求生。船上的人員可將裝置上的繩索與救生筏連接，由于熱氣球球囊目標(biāo)巨大，可起到阻流作業(yè)，防止救生筏漂向很遠(yuǎn)的地方，并提高人員被發(fā)現(xiàn)的概率。

圖5 裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制示意圖

3 受力分析

熱氣球雖然也屬于航空器，但它不能像飛機(jī)一樣自由飛翔。操作人員只能控制裝置的飛行高度。因此，在無(wú)風(fēng)的環(huán)境中，熱氣球只能上下飄動(dòng)。但大氣時(shí)刻都在運(yùn)動(dòng)著，即便在看起來(lái)“無(wú)風(fēng)”的天氣中，局部空氣垂直對(duì)流會(huì)影響近地表層局部的不同方向的空氣運(yùn)動(dòng)。飛行員在空中通過(guò)氣球與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，體驗(yàn)各個(gè)高度層的不同風(fēng)向，然后操縱氣球升或降至自己所需要的風(fēng)向那一高度，并保持這一高度飛行，便可達(dá)到自己要飛往某個(gè)目標(biāo)的目的。由于水平氣壓梯度力不同，海面上往往伴隨著風(fēng)。

當(dāng)高度一定，該裝置在隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中可能會(huì)遇上前方有燈塔等障礙物的情況。裝置本身的風(fēng)翼為裝置提供垂直于風(fēng)向的橫向作用力，從而改變裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。裝置在風(fēng)的作用下前進(jìn)，如果沒(méi)有風(fēng)的作用，便會(huì)按照虛線與障礙物相撞。但風(fēng)翼的形狀與機(jī)翼相仿，當(dāng)平行于翼弦的氣流流經(jīng)風(fēng)翼時(shí)，由于風(fēng)翼的阻礙導(dǎo)致風(fēng)翼上下表面的流速均增加。根據(jù)伯努利原理，上表面的流速要高于下表面，因此上下表面會(huì)存在壓差，使得機(jī)翼最終受到向上的合力，即升力。在風(fēng)的作用下，風(fēng)翼也會(huì)產(chǎn)生阻力。升力和阻力在垂直于裝置前進(jìn)方向上的力即為橫向力。在橫向力的作用下，裝置會(huì)沿著虛線旁邊的實(shí)線路徑運(yùn)動(dòng)。

圖6 風(fēng)翼影響的軌跡圖

風(fēng)翼的受力分析如圖7所示，以裝置風(fēng)翼弦的中點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系進(jìn)行受力分析，定義此時(shí)裝置的前進(jìn)方向?yàn)檩S，垂直于裝置前進(jìn)方向?yàn)檩S。

風(fēng)翼可繞位于裝置氣球加固帶上的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以下就以圖7所示的兩種情況進(jìn)行分析。

相關(guān)符號(hào)定義及說(shuō)明如表1所示。

表1 符號(hào)定義及說(shuō)明

符號(hào)說(shuō)明 V1視風(fēng) V2裝置飛行引起的風(fēng)速，即航行風(fēng) V3真風(fēng) α視風(fēng)與風(fēng)翼弦的夾角，即風(fēng)翼攻角 β風(fēng)翼弦與x軸的夾角，即轉(zhuǎn)翼角 θ視風(fēng)與x軸的夾角，即相對(duì)風(fēng)向角 γ視風(fēng)與y軸風(fēng)夾角 L升力 D阻力 Fx橫向力 Fy推進(jìn)力

注：未列出的以及重要的符號(hào)均以出現(xiàn)處為準(zhǔn)。

風(fēng)翼的空氣動(dòng)力性能與與機(jī)翼相仿，當(dāng)風(fēng)以某一攻角吹向風(fēng)翼，風(fēng)翼上的升力和阻力會(huì)隨著攻角的變化而變化[6]。在裝置前進(jìn)方向上的合力構(gòu)成了裝置的推進(jìn)力，在垂直于前進(jìn)方向上的合力形成了橫漂力。

在裝置前進(jìn)方向上的合力構(gòu)成了裝置的推進(jìn)力Y，在垂直于前進(jìn)方向上的合力形成了橫漂力X，按幾何關(guān)系可以得出：

X=sin－cos，Y=cos－sin

對(duì)于一端風(fēng)翼，其輸入量為風(fēng)的絕對(duì)速度和風(fēng)的絕對(duì)角度；輸出量為與風(fēng)向平行的阻力和垂直于來(lái)流風(fēng)向的升力。升力和阻力的方程式為：

式（1）（2）中：為空氣密度；為風(fēng)翼面積；L和D為風(fēng)翼的無(wú)因次升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

風(fēng)翼的空氣動(dòng)力特性如圖8所示。

L和D隨著風(fēng)翼攻角變化，以為參數(shù)，將L，D表示在同一張圖上，得到L～D的極坐標(biāo)圖，表征某一特定風(fēng)翼的空氣動(dòng)力特征。設(shè)視風(fēng)與裝置前進(jìn)的垂直方向即橫向線夾角為，使L～D的橫坐標(biāo)與視風(fēng)平行且同向，裝置的橫向線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，沿此橫向線做它的垂線，并與L～D曲線相切（比如切于圖中的點(diǎn)），切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的攻角即為風(fēng)翼的最佳攻角。在橫向線上的最大投影x即為最大橫推力系數(shù)[8]，在垂直于橫向線方向上的投影則為推力系數(shù)。根據(jù)=－的關(guān)系即可得出最佳控制角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱氣球、救生筏和風(fēng)翼的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了一種新的逃生方法。熱氣球?yàn)檠b置提供升力，救生筏能夠保障人員的生存問(wèn)題，風(fēng)翼能夠?yàn)檠b置提供前進(jìn)方向的推進(jìn)力和垂直前進(jìn)方向的橫向力，從而使人員快速離開(kāi)逃生現(xiàn)場(chǎng)或者躲避障礙物。通過(guò)控制風(fēng)翼對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，能夠提高海上遇險(xiǎn)時(shí)該裝置的操縱性和安全性。

圖8 風(fēng)翼的空氣動(dòng)力特性

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TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.20.009

2095－6835（2019）20－0022－04

〔編輯：張思楠〕